特种光纤技术及其发展趋势

11/5/2010，作者：陈伟，李诗愈，王彦亮，王冬香，罗文勇，黄文俊 （光纤通信技术和网络国家重点实验室，烽火通信科技股份有限公司chenwei@fiberhome.com.cn ）      

   摘要：本文首先回顾了我国民族光纤产业的巨大进步与突破，进而引出激烈竞争情况下的特种光纤年差异化发展策略。着重讲述了我国特种光纤研究进展，包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。最后结合国家科技发展计划，阐述了特种光纤的发展趋势。
   关键词：光纤通信、光纤、预制棒、光子晶体光纤、特种光纤

   一、引言

   “十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。在国家自主创新政策的引领下，民族光纤的自主创新研究显著增强，我国的预制棒技术取得了突破性进展，光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展：制造工艺从MCVD与PCVD，发展到OVD与VAD技术，光棒制造能力从2家发展到4家，国内光纤制造商的单模光纤年生产能力突破1000万芯公里的企业迅猛增加到4家，我国已经发展称为名符其实的光纤制造第一大国。
   虽然，我国常规单模产能实现了历史性跨越与进步。但是，在经济全球化的今天，常规单模光纤的竞争日趋白热化。加之发达国家将制造业向中国转移，这种现实的环境更是加速了民族光纤产业的竞争，价格迅速下滑，产能将再度出现供大于求的窘境。
   因此，民族光纤产业一方面要更一步增强自主创新，狠抓光纤上游核心—－光纤预制棒规模化技术，抢夺利润来源主体；另一方面，民族光纤企业家需要站在全球化市场的战略高度，苦练内功，强化管理，将民族光纤产业走出国门，推向全球市场；第三，面对利润微薄的常规光纤市场实际，要创造性地展开差异化竞争，自主创新地研究与开发特种光纤新产品，拓展新的利润增长点。

   二、光子晶体光纤

   烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”（2003CB314905）、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”（2007AA03Z447）、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”（2010CB327606）的支撑下，从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤（光子晶体光纤）的工艺技术与设备控制技术，以及自主知识产权的专利技术，先后制造出如图1～图6所示的光子晶体光纤，包括：高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤，以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。

 图1 高非线性光子晶体光纤  

图2 色散平坦高非线性光子晶体光纤

图3 FTTH用微结构光纤
     

图4大模场单模光子晶体光纤
    
图5空心PBG型光子晶体光纤      

图6  全固态PBG型光子晶体光纤

   烽火通信将上述光子晶体光纤提供给国内的清华大学、北京邮电大学、天津大学、南开大学、燕山大学、深圳大学、国防科技大学进行基础应用研究：清华大学采用本公司提供的高非线性光子晶体光纤实现了慢光，实现了0.5脉冲当量的光减速；天津大学采用本公司提供的高非线性光子晶体光纤实现了400nm~1400nm两倍频程的超连续光谱；北京邮电大学利用本单位的高非线性光子晶体光纤实现了波长变换器件的研制；南开大学采用本单位的柚子型光敏微结构光纤，实现了多参量传感新型光纤光栅的刻写等，他们取得了新型高性能的光电子器件的国际前沿的研究成果。

   三、色散补偿光纤及模块

   随着网络技术的应用日益广泛，人们对宽带传输的需求迅速增长，因此，光通信系统需要不断增大传输距离、传输容量和提高传输速率。光纤通信的传输速率从最初的兆比特/秒 
（Mbps），2.5G比特/秒（Gbps）到10 Gbps，现在高达40 Gbps，甚至160 Gbps。但是，常规单模光纤（G.652）由于在1530nm-1625nm（C+L波段）通信波段内具有11-21ps/nm•km的正色散，非零色散位移光纤（G.655）在C波段内具有1-10ps/nm•km的正色散。通信数据传输一段距离后，系统的累积色散不断增加，导致传输信号的波形畸变，造成信号的失真。
   为了减小通信链路累积色散对通信系统传输性能的影响，目前，国际上采用色散补偿技术来改善链路色散，包括负色散光纤补偿技术、光纤光栅色散补偿技术、电子色散补偿技术等，其中采用负色散光纤进行色散补偿的技术最方便有效，系统性能稳定可靠，成本低。采用色散补偿光纤进行通信链路的色散补偿是当前国际上的主流技术，CIR研究表明：到2012年，全球色散补偿模块和器件的市场将会达到7.55亿美圆。
   高速大容量光通信系统需求的宽带色散补偿光纤及其器件（DCM）成功商用，实现C波段的色散和色散斜率的双功能补偿，并且大规模应用在波分复用（WDM）及OTN光通信系统中，解决了该器件依赖于进口的局面。随着密集波分系统的规模化建设，国内对色散补偿光纤模块的需求量迅速增长，预计到2015年国内需求将达到60000套（见图7），市场容量将达到2.2亿元（图8）。
  
   图7 国内DCM需求量走势            

 图8 国内DCM市场容量

   烽火通信科技股份有限公司采用自主知识产权的PCVD装备与工艺技术，独立开发出商用化的色散补偿光纤及光纤型补偿模块，成功应用在国内10G和40G通信系统中，并批量出口，表1为其色散补偿光纤模块的性能指标。

   表1 色散补偿模块的性能指标
Tab.1 Specifications of Fiberhome DCM

   
   常规色散补偿光纤模块对G.652光纤的补偿比率在1:8～1:10，如果采用光子晶体前沿技术进行补偿，理论上可以达到1:100的补偿比率，实现色散的高效补偿。烽火通信在国家科技计划的支撑下，研制出高负色散光子晶体光纤（见图9）。该光纤测试的色散曲线见图10所示，其峰值波长为1570nm，峰值负色散为－666.2ps/nm.km，其补偿带宽为40nm，补偿比率3倍以上。
      
图9 色散补偿型光子晶体光纤      

             图10 色散曲线

   四、保偏光纤

   保偏光纤在许多与偏振相关的应用领域具有使用价值。随着通信系统传输速率的提高和光纤陀螺等高级光纤传感器件的发展,对偏振态系统控制的问题变得非常重要。
   国际上,目前有各种类型的保偏光纤产品进入市场，知名的保偏光纤制造公司有生产领结型保偏光纤的FiberCore公司,有生产椭圆包层保偏光纤的3M公司,以及生产熊猫型保偏光纤的Fujikura,Corning ,Nufern、YOFC和OFS等公司。所有的这些公司生产的保偏光纤都具有良好的双折射性能。目前市场需求量为5000km，市场容量在5000万元左右，国内对保偏光纤的需求量逐年增大，表2为典型的熊猫型保偏光纤的技术指标。

表2 保偏光纤的技术指标
Table.2 Specifications of Panda PMF

    
   常规保偏光纤大多采用预制棒钻孔的方法，然后置入应力硼棒，形成应力双折射。光子晶体光纤科学技术的出现，为保偏光纤技术提供了新的途径。目前，国外已经开始了光子晶体PMF的研究，利用氧化硅一空气之间的折射率反差大，容易获得高双折射，研制出了保偏光子晶体光纤(PCF)．英国巴斯大学报道了其研制的高双折射PCF，利用相同直径不同壁厚的毛细管组合成预制棒，实现不同的微孔直径．光纤外直径125μm、节距1.46μm、小孔直径0．54μm、大孔直径1.14μm、在1 550 nm 的拍长为410μm ，双折射B =3.8 x 10-3 ，约为目前熊猫型PMF的10倍．Theis P．hansen利用光子晶体光纤可以高设计自由度的优势，在光纤中引入双纤芯，微孔点阵呈现三角形点阵，研制的光子晶体PMF双折射达到1.0x10-3 ．目前研制的光子晶体PMF在1 550 am 窗口的损耗为1.3 dB／km，并以10 Gbit／s的速率进行1．5 km的传输系统试验。
   烽火通信在国家科技计划的支撑下开展了光子晶体保偏光纤的研究，制备出如图11所示的保偏光子晶体光纤，其模双折射B＝3.1x10-3。并进行了10G通信系统的PMD补偿试验研究：图12中的左图表示系统没有进行PMD补偿时的眼图，系统的固定DGD为16ps，可以看出信号严重地受到系统PMD的影响而不能正常工作；采用图11所示的保偏光子晶体光纤对系统进行PMD补偿后，图12中的右图显示通信系统的眼图睁开，系统恢复正常工作。
  
图11保偏光子晶体光纤      

      图12 PMD补偿前后的系统眼图    
   因此，光子晶体保偏光纤以其高设计自由度、高保偏性能，以及空隙中填充各种材料可以制造出各种纤维光学器件，将具有广阔的应用前景。

   五、掺稀土光纤

   随着新型光电子器件的发展，掺稀土光纤的应用越来越广泛。掺稀土光纤主要包括掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等，烽火通信的高性能掺稀土光纤成功获得“国家重点新产品”称号，打破了国外对我国高功率双包层掺稀土光纤的技术封锁。
   烽火通信采用自主知识产权的专利技术，实现了稀土离子掺杂技术突破，镱离子浓度迅速突破13000ppm（见图13所示），双包层掺镱光纤的纤芯直径迅速突破100微米的技术关隘，达到115微米（见图14所示）。
       
图13 镱离子浓度增长路线图           

 图14 大模场纤芯直径增长轨迹
   目前，烽火通信科技股份有限公司的单根掺镱光纤成功实现1640W的1080nm的激光功率输出（见图15所示），这是国内特种光纤的首次技术突破，达到了当前国际先进水平，促进了我国国防科学技术的进步。
   在开发掺镱光纤的同时，烽火通信也开发出双包层掺铥光纤，获得了150W的中红外激光输出（见图16所示）。烽火通信科技股份有限公司制造的掺铒光纤、铒镱双包层光纤、掺铥光纤都成功实现了商用化，促进了国内掺铒光纤放大器、光纤激光器等新型光纤器件的发展，为我国新型光电子器件的发展奠定基础。
  
图15 国产双包层掺镱光纤输出激光功率发展轨迹

  图16 图内外双包层掺铥光纤激光器功率进展   
   常规的双包层掺镱光纤要维持较好的单模特性时，当其纤芯数值孔径达到0.03，其理论单模模场直径的极限为25微米，这远远不能够满足高功率光纤激光器的大功率高光束质量与高亮度的需求。光子晶体光纤技术的出现为双包层掺稀土光纤及新型光纤激光器提供了新的技术途径。采用空气与石英的复合材料结构，形成二维的三角形晶格点阵，当空气孔直径d与晶格常数∧的比例小于0.42时，光波电磁场维持单模工作模式。国外已经开发出纤芯直径达到80微米的双包层掺镱光纤，具备良好的单模特性。同时，外包层采用大空气孔取代常规的低折射率涂料极大地提高了内包层的数值孔径，并增强了其耐热性。
   图17为烽火通信研制的双包层掺镱光子晶体光纤，经过测试，该光纤的桥壁宽度为0.32 μm，内包层数值孔径为0.65，纤芯数值孔径为0.06，有效模场面积为1 465.7μm2。
   图18为烽火通信研制的掺铒光子晶体光纤，该光纤较常规掺铒光纤具有更好的抗辐照特性，以及较好的增益特性。
   
图17  双包层掺镱光子晶体光纤        

 图18  掺铒光子晶体光纤
    
   六、能量传输光纤
 
   能量光电子与信息光电子是光电子领域的一对孪生姊妹，信息光电子是利用光子作为信息的载体，而能量光电子是利用光子作为能量的载体，逐渐形成未来社会不可缺少的科学技术。其实，能量光电子技术自1960年美国休斯实验室研制出世界第一台红宝石激光器之后，相继研制开发了半导体激光器、CO2激光器、YAG激光器和高功率CO2激光器。特别是高功率激光器的研制成功，为激光加工技术在工业、农业、医疗、军事、科学研究以及生活等领域的应用和相关行业的发展创造了巨大的技术进步。 
   随着能量光电子技术的不断进步，各种新型高功率激光器与激光加工设备不断涌现，激光设备采用光纤输出激光的方式已经取代传统输出方式。光纤输出激光的方式具有传输功率损耗小、操作简单方便、可以任意伸展待加工部位等优点，大大地简化并缩小了现代激光设备，已经广泛地应用于材料表面热处理、激光焊接、激光切割、激光医疗、激光美容、激光制导等领域。
   目前，国内激光设备制造商采用的能量光纤主要依靠进口，主要原因有四个：一是国内的能量光纤的激光损伤阈值较低；二是光纤的光透过率较国外低；三是国内机械加工精度不够，所生产的SMA905连接头的同轴度差，不能够满足医疗激光即插即用的需求；四是光纤端面处理技术较为落后。随着能量光电子产业的飞速发展和不断壮大，该行业对能量传输光纤及其套件的需求会越来越大。
   烽火通信科技股份有限公司采用自主知识产权的PCVD工艺技术，成功开发出大功率高损伤阈值能量传输光纤，具体性能指标见表3所示。烽火通信的能量光纤的损伤阈值达到3.5GW/cm2, 单根光纤承受激光功率突破1kW。烽火通信科技股份有限公司的能量光纤及光纤铠装跳线产品不仅应用在激光器的能量传输，而且应用在太阳能光伏产业，以及国防激光技术等领域。

表3  能量传输光纤技术指标
Table.3 Specifications of Power Delivery Optical Fibers


   七、特种光纤发展趋势 

   目前，随着我国3G与三网合一的信息化建设投资加大，以及振兴中西部、发展农村、扩大内需等政策的相继出台，我国对光纤光缆以及光电子器件保持旺盛增长势头，今后随着信息基础设施的完善与扩大，预计对光纤光缆和光纤器件的需求将继续增长。
   特种光纤具有向如下几个方向发展的趋势：
   (1)高附加值、高技术含量的特种光纤
   (2)光纤通信器件：可调色散补偿器、动态PMD补偿器、高功率放大器、光参量放大器OPA、慢光及全光缓存器、波长变换器件等；
   (3)能量光纤器件：全光纤化激光器、单频、窄线宽等大功率有源光纤器件与无源光纤器件等；
   (4)医疗光纤器件：微创手术器件、内窥医疗器件等；
   (5)传感光纤器件：各种特殊环境应用的器件，如压力、温度、位移等参量的传感与探测器件，光纤陀螺等。
   物联网和云计算等新技术的出现，更加大了特种光纤及各种新型光电子器件的需求，特种光纤作为一个新兴的产业，将面临较大的发展机遇与挑战，这也为我国民族光纤产业提供了横向发展与纵向延伸的历史舞台。（全文完）

作者联系方式：
陈伟   chenwei@fiberhome.com.cn
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